Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 2: Cảm biến đo quang

Chương II. Cảm biến đo quang 
Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 
Cảm biến quang dẫn 
Cảm biến quang điện phát xạ 
12/3/2021 
1. Tính chất và đơn vị đo 
1.1 Tính chất ánh sáng 
Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ: 
0,395 
0,455 
0,490 
0,575 
0,590 
0,650 
0,750 
cực tím 
 tím 
lam 
lục 
vàng 
da cam 
đỏ 
hồng ngoại 
0,01 
0,1 
0,4 
0,75 
1,2 
10 
30 
100 
cực tím 
Hồng ngoại 
H. ngoại xa 
Trông thấy 
H.N. ngắn 
 (  m) 
Phổ ánh sáng 
12/3/2021 
1.1. Tính chất áng sáng 
Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) 
	 hoặc	 	(môi trường vật chất) 
Bước sóng: 	(chân không) 
 hoặc 	(môi trường vật chất). 
 f tần số ánh sáng. 
12/3/2021 
1.1. Tính chất áng sáng 
b) Tính chất hạt: 
	Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ( f ) của ánh sáng: 
h = 6,6256.10 -34 J.s 
 hằng số Planck 
12/3/2021 
1.2. Đơn vị đo quang 
Đơn vị đo năng lượng: 
Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng Jun (J). 
Thông lượng ánh sáng  : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W). 
(W) 
12/3/2021 
1.2. Đơn vị đo quang 
Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối 
Độ chói năng lượng (L): 
Độ rọi năng lượng (E): 
(W/sr.m 2 ) 
(W/sr) sr: steradian 
(W/m 2 ) 
12/3/2021 
1.2. Đơn vị đo quang 
b) Đơn vị đo thị giác: 
Đại lượng đo 
Đơn vị năng lượng 
Đơn vị thị giác 
Thông lượng 
W 
lumen(lm) 
Cường độ 
W/sr 
cadela(cd) 
Độ chói 
 W/sr.m 2 
cadela/m 2 (cd/m 2 ) 
Độ rọi 
W/m 2 
lumen/m 2 hay lux (lx) 
Năng lượng 
J 
lumen.s (lm.s) 
12/3/2021 
2. Cảm biến quang dẫn 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn: 
	 Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. 
12/3/2021 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn 
W W lk 
+ 
 điện tử 
h  
+ 
h  
- 
 điện tử 
h  
+ 
Vùng dẫn 
Vùng hoá trị 
W lk 
- 
- 
Bán dẫn tinh khiết 
 lổ trống 
lổ trống 
Bán dẫn loại n 
Bán dẫn loại p 
12/3/2021 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn 
Mật độ điện tử trong tối: 
 Hệ số tỉ lệ giải phóng e. 
N d Nồng độ tạp chất loại N 
r Hệ số tái hợp. 
12/3/2021 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn 
Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: 
g Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích: 
12/3/2021 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn 
Độ dẫn trong tối: 
Độ dẫn khi chiếu sáng: 
 và là hàm phi tuyến của  với số mũ  =1/2 (thực tế  = 0,5 -1) 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) 
Cấu tạo: 
	 Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn 
0,2 
0,6 
1 
2 
3 
4 
5 
10 
20 
30 
CdS 
CdSe 
CdTe 
PbS 
PbSe 
PbTe 
Ge 
Si 
GeCu 
SnIn 
AsIn 
CdHgTe 
 ,  m 
 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) 
b) Đặc trưng chủ yếu: 
Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 10 4  - 10 9  ở 25 o C đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng. 
Điện trở (  ) 
Độ rọi sáng (lx) 
0,1 
1 
10 
100 
10 2 
10 4 
10 6 
10 6 
1000 
 Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) 
Độ nhạy: 
Nhận xét: 
+ Độ nhạy giảm khi  tăng (trừ  = 1) 
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt vào lớn. 
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn 
c) Đặc điểm 
	+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao. 
	+ Độ nhạy cao. 
	+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính . 
+ Thời gian hồi đáp lớn. 
+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá. 
+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội. 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn 
-150 
-100 
-50 
0 
50 
Nhiệt độ ( o C) 
10 
5 
1 
0,5 
0,1 
Độ 
nhạy tương đối 
B ướ c sóng (  m) 
Độ nhạy tương đối 
(%) 
1 
2 
3 
1 
3 
5 
10 
30 
50 
100 
 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn 
 Ảnh hưởng bước sóng đến độ nhạy của tế bào quang dẫn 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn 
c) Ứng dụng: 
Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện chạy qua đủ lớn sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle. 
Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện. 
12/3/2021 
2.2. Tế bào quang dẫn 
+ 
+ 
Điều khiển trực tiếp 
Điều khiển thông qua 
tranzito khuếch đại 
12/3/2021 
2.3. Photodiode 
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
Nguyên lý hoạt động: 
	- Khi  = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua 
 	I kt Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I 0 Dòng hạt 
dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt. 
	- Khi V > 0 dòng ngược: 
	- Khi V đủ lớn 0 và I r = I 0 . 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng  0 I p . 
Khi V đủ lớn: 
N 
P 
h  
+ 
I r 
Vùng nghèo 
+ 
x 
Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng 
V 
I p : dòng quang điện 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
 Chế độ quang dẫn: 
Phương trình mạch điện: 
 Tín hiệu ra: 
đ ường thẳng tải . 
Dòng ngược: 
Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính V R ~ . 
I r 
V D 
V R 
R m 
E S 
+ 
0 
-10 
-20 
-30 
-40 
50  W 
100  W 
150  W 
200  W 
20 
40 
60 
I r 
E S 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0. 
 Đo thế hở mạch 
Khi I p << I 0 : nhỏ nhưng tỉ lệ với . 
Khi I p >> I 0 : lớn nhưng tỉ lệ với log. 
Đo dòng ngắn mạch: 
I SC 
R bé 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
c) Độ nhạy: 
S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng . 
S phụ thuộc vào , v ới   s : 
 S S max khi  =  p 
Khi nhiệt độ tăng,  p dịch sang phải. 
S phụ thuộc hiệu suất lượng tử , hệ số phản xạ R, hệ số hấp thụ α . 	 
  p 
( S( p ) = 0,1-1,0 A/W ) 
0,3 
0,4 
0,5 
0,6 
0,7 
0,8 
0,9 
1,0 
 (  m) 
0 
0,1 
0,2 
0,3 
0,4 
S (  A/  W) 
 T 1 
 T 2 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
d) Ứng dụng: 
E S 
R m 
I r 
R 1 
R 2 
V 0 
C P1 
R m 
E S 
R 1 +R 2 
R 1 
V 0 
R 2 
Sơ đồ cơ sở 
Sơ đồ tác động nhanh 
+ 
C 2 	 
+ 
+ 
- Sơ đồ mạch làm việc ở chế độ quang dẫn: 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: 
V co 
R 1 
R 2 
V 0 
+ 
_ 
I SC 
R 1 =R m 
R m 
V 0 
_ 
+ 
Sơ đồ tuyến tính 
Sơ đồ logarit 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
Chế độ quang dẫn : 
+ Độ tuyến tính cao. 
+ Thời gian hồi đáp ngắn. 
+ Dải thông lớn . 
 Chế độ quang thế : 
+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit. 
+ Ít nhiễu. 
+ Thời gian hồi đáp lớn. 
+ Dải thông nhỏ. 
+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. 
12/3/2021 
2.3. Photođiot 
c) Ứng dụng: 
Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, . 
Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính) 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 
Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp 
	E - B và B – C tương tự như một tranzito 
Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B, B – C phân cực ngược. 
 Sơ đồ mạch điện như hình vẽ 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
b) Nguyên lý làm việc: 
 Khi đặt điện áp E lên C, điện áp V BE 0,6  0,7 V, V BC E. 
 Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện tử từ E B C tạo ra dòng ngược: I r = I 0 + I p 
E 
C 
B 
 
+E 
Sơ đồ mạch điện 
Điện thế 
C 
B 
E 
+ 
- 
Sơ đồ tách cặp 
 điện - lỗ trống 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
E 
C 
B 
 
I r 
I C 
Sơ đồ tương đương 
+E 
Dòng I 0 : dòng ngược trong tối. 
Dòng I p : dòng ngược do chiếu sáng. 
 phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito. 
I r ~ I B Dòng colector I C : 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
c) Độ nhạy: 
Ic I p  và  I c   
 S  độ nhạy phụ thuộc thông lượng ánh sáng. 
Độ nhạy phụ thuộc  
 (hình vẽ) 
 S(p) = 1  100A/W 
S(  ) 
S(  p) 
(%) 
100 
80 
60 
40 
20 
0,4 
0,6 
0,8 
1,0 
 (  m) 
Đường cong phổ hồi đáp 
 p 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
d) Ứng dụng phototranzito: 
Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng) điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo. 
 Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp. 
+ 
+ 
Điều khiển rơle 
+ 
Điều khiển cổng logic 
+ 
+ 
Điều khiển thyristo 
12/3/2021 
2.4. Phototranzito 
Sử dụng ở chế độ tuyến tính: 
+ Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống luxmet). 
+ Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ): 
Độ tuyến tính kém hơn photodiot. 
+ 
Luxmet 
 0 
12/3/2021 
2.5.Phototranzito hiệu ứng trường 
Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Gồm 2 lớp P và N ghép với nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo thành một tiếp giáp P-N. Tiếp giáp P-N được phân cực ngược, bên ngoài vùng nghèo là cổng, bên trong vùng nghèo là kênh. Dòng qua kênh phụ thuộc tiết diện kênh điện áp giữa cổng và kênh: 
S 
G 
D 
G 
P 
P 
N 
+ + + + + + + + 
+ + + + + + + + 
- - - - - - - 
- - - - - - - 
12/3/2021 
2.5.Phototranzito hiệu ứng trường 
 Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N hoạt động như một photodiot cho dòng ngược: 
 I 0 - dòng điện trong tối. 
 I P = S g  - dòng quang điện. 
 S g - độ nhạy của điot cổng-kênh. 
  - thông lượng ánh sáng. 
- 
G 
D 
S 
+ 
Sơ đồ mạch 
R g 
12/3/2021 
2.5.Phototranzito hiệu ứng trường 
c) Đặc điểm và ứng dụng: 
Làm việc ổn định 
Hệ số khuếch đại cao 
 Điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 
12/3/2021 
3. Cảm biến quang điện phát xạ 
3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ 
Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn một ngưỡng nhất định). 
12/3/2021 
3. Cảm biến quang điện phát xạ 
Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng: 
Hấp thụ photon và giải phóng điện tử. 
 Điện tử được giải phóng di chuyển bề mặt. 
 Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu. 
Do nhiều nguyên nhân số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%. 
12/3/2021 
3.2. Tế bào quang điện chân không 
Cấu tạo: 
Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs 3 Sb, K 2 CsSb, Cs 2 Te, Rb 2 Te , CsTe ) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không (áp suất ~ 10 -6 - 10 -8 mmHg). 
Anot: bằng kim loại. 
A 
K 
c) 
A 
K 
 
b) 
 
A 
K 
a) 
12/3/2021 
3.2. Tế bào quang điện chân không 
K 
A 
I a 
E 
R m 
I a (  A) 
V ak (V) 
4,75 mW 
2,37 mW 
0,95 mW 
4 
3 
2 
1 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
 
Sơ đồ tương đương 
Đặc tính V - A 
 Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do V ak tạo ra tập trung về anot (A) tạo thành dòng anot (I a ). 
12/3/2021 
3.2. Tế bào quang điện chân không 
Đặc tính V - A có hai vùng: 
Vùng điện tích không gian. 
Vùng bão hòa. 
 TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng. Điện trở trong của tế bào quang điện rất lớn: 
=10  100 mA/W 
Độ nhạy: 
12/3/2021 
3.2. Tế bào quang điện chân không 
c) Đặc điểm và ứng dụng: 
Độ nhạy lớn ít phụ thuộc V ak . 
Tính ổn định cao 
 Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang. 
12/3/2021 
3.3. Tế bào quang điện dạng khí 
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10 -1 - 10 -2 mmHg. 
I a (  A) 
V ak (V) 
2 
1 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
10 -2 lm 
1,5.10 -2 lm 
 Khi V ak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn ion hoá các nguyên tử khí I a tăng 5  10 lần. 
12/3/2021 
3.3. Tế bào quang điện dạng khí 
c) Đặc điểm và ứng dụng: 
- Dòng I a lớn. 
S phụ thuộc mạnh vào V ak . 
 Chuyển mạch và đo tín hiệu quang. 
6 
2 
0 
20 
40 
60 
80 
4 
8 
Stg.đối 
V ak (V) 
12/3/2021